分子生物学疾病与人类健康ppt课件

疾病与人类健康 现代科学认为，疾病的发生在本 质上都直接或间接与基因有关。因此 ，从某种意义上说，人类疾病都是“ 基因病”！ 1 经典单基因病： 某个单个基因位点上产生了缺陷等位基 因。 多基因病： 多个基因及调控这些基因表达的环境因 子之间的相互作用。 获得性基因病： 由病原微生物感染引起的传染病，是病原 微生物基因组与人类基因组相互作用的结果 ，都涉及基因结构与表达模式的改变2 肿瘤（tumor/neoplasm): 不受正常生长调控而繁殖的一群细胞。 良性肿瘤： 生长局限在自己的正常位置，不侵染周围组织或 其他器官。 恶性肿瘤（癌）： 具有侵染性和转移性，能够侵染、破坏临近的 正常组织并随循环系统散布至更远的组织。 3 癌的发生率随年龄的 增长急剧上升。 在人的年龄在 40-80之间，癌症 的发生呈指数增 加，表明癌症的 产生是一系列独 立事件的综合结 果。 4 体外培养的正常细胞和转化细胞的差别 两类癌基因 原癌基因的表达调控 原癌基因产物及其分类 抑癌基因产物对原癌基因的调控 5 永生化（immortalization): 描述的是细胞无限制增殖的特性 转化（transformation): 包括一系列的改变，使得永生细胞能够不受 生长约束 肿瘤细胞是永生化的、转化了的细胞 6 对血清生长因子的需要不同 肿瘤细胞常常表现出细胞为生长因子的 依赖性减少，一些肿瘤细胞可在缺乏正常细 胞生长必需的外源性因子的情况下繁殖，有 时肿瘤细胞自己可产生生长因子驱动自身繁 殖。 体外培养的正常细胞对血清生长因子的需 求高 体外培养的正常细胞和转化细胞的差别 7 正常细胞表现密度依赖型，即正常细 胞培养物维持在一定水平的血清生长因子 中，繁殖到一定的细胞密度就即停止生长 。降低细胞密度继续培养时，细胞重新开 始繁殖。 转化细胞持续繁殖至更高的细胞密度 。 细胞密度 8 锚定依赖性 正常细胞体外培养时必需附着在一固体 基质，如培养盘的表面才可以生长。 肿瘤细胞，可以不附着在表面上悬浮生 长，这一特性称为锚定不依赖性（ancherage independence)。 9 增殖生命期 正常细胞体外的繁殖能力是有限的， 分裂一定次数后，停止生长并死亡。 转化细胞可继续生长，这种永久性培 养物被称为“建立的、持续性的或无限增 殖细胞系”。 10 移动的接触抑制 正常细胞沿培养盘表面移动，但与附近 细胞接触时停止移动。 转化细胞不表现这种移动的接触抑制。 11 Normal fibroblasts grow as a layer of flat, spread- out cells, whereas transformed fibroblasts are rounded up and grow in cell masses. The cultures on the left contain normal cells, those on the right contain transformed cells. 12 13 两类癌基因 细胞癌基因 (cell oncogene,c-onc) 病毒癌基因 (virus oncogene,v-onc) 14 细胞癌基因(cell oncogene,c-onc)即原癌基 因(proto oncogene)的激活产物。 正常细胞中这些基因是不表达的，或少量表 达，只有在细胞发生癌变时才有活性，所以称 为原癌基因 原癌基因未激活时，可促进正常细胞生长、 增殖、分化、发育等，属于“看家基因”； 激活后则变成细胞癌基因，能使正常细胞转 化为肿瘤细胞。（当原癌基因在某些外界因素 （如放射线、化学致癌物等）的作用下，发生 数量和结构上的微细变化）。 15 病毒癌基因(virus oncogene,v-onc) 病毒所携带的致转化因子，编码这一类基 因的主要有DNA病毒和RNA病毒。 DNA病毒 RNA病毒 16 乙型肝炎病毒（hepatitis B viruses, HBV)、 乳头瘤病毒(papillomaviruses)、 腺病毒（adenoviruses) 猴病毒（simian virus 40, SV40) 疱疹病毒（herpesviruses) 痘病毒(poxviruses) DNA病毒 17 Rous于1911年首先发现鸡肉瘤病 毒（后称劳斯肉瘤病毒Rous sarcoma virus， RSV），研究 证明它是一种反转录病毒，在接 种给鸡后诱发肉瘤 66年获得诺贝尔奖。 18 RNA病毒-反转录病毒 该RNA在病毒颗粒带进来的反转录酶作用下，复制 为DNA 在RNase作用下将RNA降解掉 以此DNA为模板，利用DNA聚合酶指导合成第二 条DNA链。 双链DNA整和到宿主细胞基因组中。 被整合的反转录病毒DNA分子称为原病毒。 19 20 21 Retroviruses (HIV) bud from the plasma membrane of an infected cell. Photograph kindly provided by Matthew Gonda. 22 Gag: 病毒外壳蛋白基因 Pol: 逆转录酶及整合酶基因； Env：病毒外膜糖蛋白基因 23 24 Gag: 病毒外壳蛋白基因 Pol: 逆转录酶及整合酶基因； env基因，病毒外膜糖蛋白基因 25 HIVThe human immunodeficiency virus （人类免疫缺陷病毒） 诱发人类获得性免疫缺损综合症 (acquired immuno-deficiency syndrome) 26 27 28 艾滋病的治疗P363 核苷酸型反转录酶抑制剂 非核苷酸型反转录酶抑制剂 29 RNA反转录肿瘤病毒分为 急性转化型 acute 非急性转化型 Nondefective virus 30 非急性转化型 Nondefective virus 不带有癌基因 依赖LTR中的强启动子作用原癌基因，诱发 癌变 感染较长时间后病毒才启动肿瘤发生。 病毒的致瘤性并不依赖于它的癌基因，而是在于它 激活了细胞内原癌基因的表达 31 急性转化型 acute 这类病毒感染动物后，很短时间内就出 现实体瘤或白血 瘤 它们所带的癌基因一般位于病毒基因组 内部，也可位于基因组的3端，但不会插 入结构基因内部 具有体外转化细胞的能力 缺陷型反转录病毒 需辅助病毒的存在才能复制与表达。 32 transforming retrovirus carries a copy of a cellular sequence in place of some of its own gene(s). 急性转化型：replication-defective 33 v-onc基因的起源 v-onc与c-onc在序列上 有显著的相似性！ 反转录病毒基因组中 所带有的onc基因并非来自 病毒本身，而是这些病毒 在感染动物或人体之后获 得的细胞原癌基因。这些 动物或人原癌基因经病毒 修饰和改造后，成为病毒 基因组的一部分并具有了 致癌性。 34 35 细胞原癌基因大都是断裂基因，带有插 入序列，而病毒的致癌基因往往是一个 完整的没有断裂的读码框。 断裂基因 完整的没有断 裂的可读框 36 癌基因产物的协同作用 实验证明，细胞周期中G1期对于细胞生长的控 制具有关键性意义，因为该时相中存在一个“生 长控制点”，在正常情况下，细胞可根据对信号 的应答，发挥生长控制点的调节作用，使细胞 通过该点，进入S、M期再回到G1期，或者阻止 细胞通过该控制点而使细胞进入G0期。 C-myc的表达可能使细胞获得了通过“生长控制 点”的潜能，而c-ras的表达似乎加强了c-myc的 这种作用潜能，两者协同作用使细胞向S期过度 成为可能。也就是说，c-myc和c-ras表达的协同 作用是细胞分裂的必要步骤。 37 38 用ras或myc同时转染细胞，可使细胞长期 增殖，但不能转化成癌细胞 ，在裸鼠体内 也不能形成肿瘤。但用ras+myc同时转染细 胞，则使细胞转化成癌细胞。 说明：致癌至少需要2种或以上的onc协同 作用，2种onc在2条通路上发挥作用，由于 细胞增殖调控是多因子，多阶段影响的结 果。而影响增殖分化的onc 达几十种之多 ，所以大多数人认为：癌发生是多阶段多 步骤的 39 定量模型： v-onc的表达失去控制，导致基因过量 表达，过量表达导致肿瘤形成。如mos，sis ，myc等。或者它们的表达不被关闭 定性模型： v-onc的蛋白产物性质的改变。如蛋白 质的定位、或敏感性等。进而致癌。这些新 的性状对细胞具有毁灭性的影响 v-onc为什么是致癌的呢？ 40 原癌基因是细胞内与细胞增殖相关的正常 基因，是维持机体正常生命活动所必须的， 在进化上高等保守。 在正常细胞中通常以单拷贝形式存在，只 有低水平的表达或根本不表达。在很多情况 下原癌基因的结构发生了点突变或插入、重 排、缺失及扩增等，改变其转录活性。 原癌基因的表达调控 41 碱基缺失或 单碱基突变 基因扩增 染色体重排 蛋白质活性 大大提高 蛋白质未变 化，但总量 大大提高 增强子功 能使癌基 因高效表 达 与强启动子基 因相融合，提 高癌基因表达 效率 原癌基因 原癌基因的激活机制 42 ras基因编码p21 癌蛋白 Ras原癌基因点突变，使p21蛋白的结构和功能 发生了某些变化。 如Ha-ras原癌基因第二个外显子中引起p21第61 位Gln被Leu所替代的一个点突变，导致产生转化活 性。 所以p21 分子某些部位发生单个氨基酸替代足以 引起蛋白质构象的改变，并使细胞获得转化活性。 点突变 43 44 Ras-GDP是无活性状态； Ras-GTP是活性状态，能作 用于其靶分子。 GTP activating protein，促进 GTP水解为GDP ； G exchange factor，GEF ，促 进Ras用GDP交换GTP 癌基因v-ras编码的Ras均不为 Ras-GAP所作用。这样使得Ras 永远处于活化状态，连续刺激 靶分子，导致相当一部分基因 永久性地表达。这就是癌发生 的机理之一。 GTP结合蛋白类-ras 45 LTR（long terminal repeat) ： 逆转录病毒基因组两端的长末端重复序 列，其结构中含有强的启动子序列。 当LTR插入原癌基因启动子区域或邻近 部位后，可从根本上改变基因的正常调控规 律。 LTR插入 46 c-myc的编码顺序均未改变，只是正常的 病毒控制失去。导致表达量增加而致癌 。 47 在大多数类型的人肿瘤中存在染色体数目 和结构异常现象，说明存在原癌基因重排 的可能。 原癌基因之间，或者原癌基因与非原癌基 因之间的重排。 基因重排 48 在Burkitt淋巴瘤中， c-myc定位于8q24 IgH定位于14q32 Ig定位于22q12 Ig定位于2q11 c-myc从其上游区到第二外显 子的区域内断裂，易位至IgH ，Ig或 Ig位点，使Ig基因与 c-myc基因相连在一起，Ig基 因5端的启动子（强启动子） 发挥作用，使原来不表达的c- myc基因大量表达 49 在正常人体细胞中 ，非受体酪氨酸激 酶基因abl位于第9 号染色体上，表达 量极低，不会诱发 癌变。 在慢性骨髓瘤病人 细胞中，该基因却 被转移到第22号染 色体上，与bcr基 因相融合，表达量 大为提高。 50 很多原癌基因5上游区存在负调控 序列，一旦该序列发生缺失或突变，就 丧失抑制基因表达调控的能力 基因缺失 51 oncogene (-) cancer 一些原癌基因5上游 存在负调控序列，该 序列的缺失或突变， 则丧失抑制癌基因表 达的能力。 Brukitt淋巴瘤中 c- myc因负调控序列缺 失或LTR插入而增强 表达。 52 使每个细胞中基因拷贝数增加，从而直 接增加可用的转录模板数以增加基因表达。 基因扩增 53 在正常细胞的生长，发育过程中需要大 量相关蛋白质，可通过基因扩增的方式 来达到增加表达量的效果。 在肿瘤细胞中，DNA扩增的发生频率至 少比在正常细胞中高上千倍。实验证明 ，癌基因常常是肿瘤细胞中DNA扩增的 靶位点，在各类人类肿瘤中已发现了十 几种癌基因的扩增。 其机理是原癌基因在扩增后的过量表达 。 54 蛋白质结构未变化，但总量大大提高 基因扩增 原癌基因 55 基因互作与癌基因表达 （1）染色体构象对原癌基因表达的影响 基因表达不仅取决于基因本身及其相邻 区域的一级结构，也取决于其空间构象， 即基因在染色体上的空间排列和染色质的 结构。当两个基因相距太近时，往往不易 形成有利于高效转录的空间结构。 56 基因领域：基因与基因之间的间隔距离 基因领域效应：同一DNA链上两个具有 相同转录方向的基因间隔小于一定长度 时，影响有效转录所必需的染色质结构 的形成，从而使这两个基因中的一个或 两个均不能转录或转录活性显著降低。 57 原癌基因产物及其分类 原癌基因产物的共同特征： 能够诱发一系列与细胞生长分化有关的基因 表达，从而改变细胞的表型。 按照在细胞中的位置分为3类： 与膜结合的蛋白（erb B, neu,fms, src基因产物） 可溶性蛋白(mos, sis， fps基因产物） 核蛋白（myc，ets ，jun，myb基因产物) 58 按照这些蛋白的功能 ： 生长因子类 生长因子受体类 GTP结合蛋白类 蛋白激酶类 核蛋白类 功能未知类 癌基因编码信号传导级 联反应的蛋白质 59 60 （2）原癌基因终产物对基因表达的调控 某种原癌基因产物对另一种原癌基因表 达的调控作用； 某种原癌基因产物对自身表达的反馈调 控作用 61 癌基因产物通过介质传递生长刺激信号的 部位有3处： 癌基因产物本身模拟了生长因子，因而 与相应的受体作用，以自分泌的方式刺 激细胞生长； 癌基因产物模拟了已结合配体的生长因 子受体，从而在无外源生长因子时提供 了促进细胞分裂的信号； 癌基因产物作用于细胞内生长控制途径 ，解除此途径对外源刺激信号的需求 62 生长因子类-sis sis过量表达 基因表达调控元件发生突变，导致细 胞大量合成 63 癌基因产物通过介质传递生长刺激信号的 部位有3处： 癌基因产物本身模拟了生长因子，因而 与相应的受体作用，以自分泌的方式刺 激细胞生长； 癌基因产物模拟了已结合配体的生长因 子受体，从而在无外源生长因子时提供 了促进细胞分裂的信号； 癌基因产物作用于细胞内生长控制途径 ，解除此途径对外源刺激信号的需求 64 生长因子受体-c-erbB 编码EGF（表皮生长因子）受体，丢失配体结合区， 而不受其控制，组成型的形成二聚体，使其自身磷酸 化，从而激活了酪氨酸激酶活性，这样不受配体调节 而持续地触发增殖信号。 65 66 癌基因产物通过介质传递生长刺激信号的 部位有3处： 癌基因产物本身模拟了生长因子，因而 与相应的受体作用，以自分泌的方式刺 激细胞生长； 癌基因产物模拟了已结合配体的生长因 子受体，从而在无外源生长因子时提供 了促进细胞分裂的信号； 癌基因产物作用于细胞内生长控制途径 ，解除此途径对外源刺激信号的需求 67 蛋白激酶类- src基因 细胞的增殖有关系。 V-src失去了配体的控制 因而不管有无配体受体，v-Src始终是活化的。 68 当受体无活性时，Src 527-Tyr自身磷酸化 并与SH2区结合，抑制416位点磷酸化； 受体活化后，特异位点的Tyr磷酸化并与 Src的SH2集合， Src的527从SH2区释放出， 并去磷酸化，而416位点失去抑制而磷酸化， Src 被激活 69 抑癌基因产物对原癌基因的调控 抑癌基因（antioncogene ;t